Устройство, принцип действия трансформаторов

Устройство, принцип действия трансформаторов

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U1, I1 в энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w1, w2) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w1 включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U1 вызовет в ней ток I1 и МДС I1w1 создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w1 ЭДС Е1, а в обмотке w2 ЭДС Е2. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е2вызовет в ней ток I2. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U1, I1и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрамиU2, I2 и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e1 = - w1 dФ/dt, e2 = - w2 dФ/dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

(8.1)

E1 = 4,44w1fФm;

(8.2)

Е2 = 4,44w2fФm.

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

(8.3)

e1	=	E1	=	w1	= n.
e2	E2	w2

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е1 и Е2 равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

 

Устройство трансформаторов

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 1.3, а), броневые (рис.1.3, б) и тороидальные (рис. 1.3, в).

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 1.3; 2). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом (рис. 1.3; 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.

 

Максимальный момент АМ, формула максимального момента. Механическая характеристика и электромеханическая характеристика

 

значение максимального момента, во-первых, не зависит,

от активного сопротивле ния вторичной цепи; во-вторых, пропорционально квадрату напряжения;

в-третьих, с большой точностью обратно пропорционально

индуктивным сопротивлениям рассеяния и, в-четвертых,

в генераторном режиме несколько больше, чем в двигательном.

Так как можно сделать

также вывод, что максимальный момент пропорционален квадрату

магнитного потока машины. Весьма важно подчеркнуть,

что, хотя момент М т не зависит от вторичного активного сопротивления,

значение скольжения sm, при котором наблюдается

этот момент пропорционально

этому сопротивлению.

 

АМ с заторможенным ротором

Электромагнитные процессы в асинхронном двигателе аналогичны процессам, происходящим в трансформаторе. Обмотку статора асинхронного двигателя можно рассматривать как первичную обмотку трансформатора, а обмотку ротора – как вторичную.

Если к обмотке статора двигателя подвести напряжение сети U1, а обмотку ротора разомкнуть, что можно сделать в двигателе с фазным ротором путем подъема щеток, то вращающееся магнитное поле статора, пересекая неподвижные обмотки статора и ротора, будет индуктировать в них соответственно ЭДС E1 и E2:

;

,

где E1, E2 – ЭДС обмоток фаз статора и ротора, В;

и обмоточные коэффициенты обмоток статора и ротора;

и числа витков обмоток фаз статора и ротора;

частота тока сети, Гц;

– максимальное значение основного магнитного потока, Вб.

Отношение ЭДС

, (2.11)

называют коэффициентом трансформации ЭДС

АМ с вращающимся ротором

Если к статорной обмотке ненагруженного двигателя подвести номинальное напряжение, то его ротор будет вращаться вхолостую.

Ротор вращается в сторону вращения магнитного поля статора с частотой n2 < n1. Поэтому частота вращения магнитного поля статора относительно ротора равна

ns = n1 – n2. (2.12)

Вращающийся магнитный поток статора, обгоняя ротор, индуктирует в нем ЭДС и токи с частотой f2s,

f2S = p ns / 60 = p (n1 – n2) / 60.

режим асинхронного двигателя с вращающимся ротором приводится к эквивалентному режиму при неподвижном роторе.

В данном случае асинхронный двигатель можно заменить неким трехфазным трансформатором и по аналогии с трансформатором вторичную обмотку двигателя (роторную) можно привести к первичной и все приведенные параметры обозначить со штрихами. Тогда приведенный ток фазы ротора эквивалентного неподвижного асинхронного двигателя

.

Приведение роторной обмотки осуществляется к числу витков и числу фаз статорной. При приведении магнитный поток машины и полная роторная МДС остаются без изменений.

Процессы, протекающие в асинхронном двигателе с эквивалентным неподвижным ротором, описываются системой уравнений, подобной системе уравнений для трансформатора (см. гл. 1), если первичной обмоткой считать обмотку статора, а вторичной – обмотку ротора.

На диаграмме угол φ1 между векторами U1 и I1 при нагрузке значительно меньше угла φ0 между соответствующими векторами при холостом ходе, а значит, cosφ1 значительно выше cosφ0. Отсюда следует, что ненагруженные асинхронные двигатели значительно ухудшают коэффициент мощности в сети, поэтому нужно стремиться к полной их загрузке.

Рабочие характеристики АМ

Рабочими характеристиками называют графические зависи­мости частоты вращения п2 (или скольжения s),момента на валу М2, тока статора I1, коэффициента полезного действия η и cos φ1от полезной мощности Р2 при U1 = const и f1 = const. Их определяют экспериментально или путем расчета по схеме замещения или круговой диаграмме.

Примерный вид рабочих характеристик асинхронного двигателя показан на рис. 4.25. Частота вращения, ток статора, момент на валу, потребляемая и полезная мощности приведены на графике в относительных единицах. Рабочие характеристики строят только для зоны практически устойчивой работы двигателя, т. е. до скольжения (1,1 ÷ l,2)sном.

Рис. 4.25. Рабочие характеристики асинхрон­ного двигателя(а)и типичная кривая КПД электрической машины и ее потерь (б)

Частота вращения ротора. При переходе от режима холостото хода к режиму полной нагрузки частота вращения n2 изменяется незначительно, так как при проектировании двигателей для уменьшения потерь мощности в роторе ΔРэл2 необходимо, чтобы скольжение при номинальном режиме не превышало 0,02—0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является «жесткой».

Характеристики n2 = f(P2) и n2 = f(М) можно построить по круговой диаграмме. Для этого задаются рядом точек на окружности токов и находят соответствующие им значения полезной мощности, электромагнитного момента и скольжения. При расчетах, не требующих большой точности, полезную мощность Р2 принимают равной Рмех (пренебрегая потерями мощности ΔРт), т. е. считают, что она пропорциональна отрезку AMкруговой диаграммы (см. рис. 4.17). Более точно ее определяют путем построения на круговой диаграмме специальной линии полезной мощности О"К (см. рис. 4.18,6), которую получают, соединяя точку О" реального холостого хода с точкой К(в режимах, соответствующих точкамО и К, мощность Р2 = 0). В этом случае величина Р2 пропорциональна отрезку AM, заключенному между окружностью токов и линией 0"К.

Электромагнитный момент пропорционален отрезку AE круговой диаграммы (см. рис. 4.17). Чтобы определить максимальный момент (рис. 4.26, а), через точку Ам проводят касательную к окружности токов параллельно линии ОТ и из этой точки опускают перпендикуляр на диаметр окружности токов. Максимальный момент пропорционален отрезку Aм Eм, где Ем - точка пересечения перпендикуляра с прямой ОТ.

Р2 = М2 ω2,

где ω2 — угловая скорость ротора.

Поскольку n2 изменяется мало, эта зависимость близка к линейной. Чтобы определить моментМ2 на валу двигателя, по круговой диаграмме находят электромагнитный момент М, а затем из него вычитают момент, обусловленный трением в двигателе, — Мт = ΔРт /ω2:

М2 = М - Мт.

Ток статора. Ток I1 получают по круговой диаграмме непосредственным измерением отрезков, соединяющих начало координат с точками А1, А2, А3 и другими на окружности токов. Активная составляющая тока пропорциональна полезной мощности. Реактивная составляющая в диапазоне рабочих нагрузок изменяется мало, так как она определяется главным образом током холостого хода, который составляет 20—40% от номинального тока.

Коэффициент мощности. При переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки коэффициент мощности возрастает от значения cos φ1 = 0,09 ÷ 0,18 до некоторой максимальной величины: для двигателей малой и средней мощности (1 - 100 кВт) cos φ1 = 0,7 ÷ 0,9, а для двигателей большой мощности (свыше 100 кВт) cos φ1 =0,90 ÷ 0,95. При дальнейшем увеличении нагрузки cos φ1 несколько уменьшается. Следовательно, работа асинхронного двигателя при малых нагрузках, когда cos φ1 мал, в энергетическом отношении невыгодна. Величину cos φ1 можно определить по круговой диаграмме, если построить на ней дополнительную шкалу. Такой шкалой является отрезок О'Х (рис. 4.26,6), отсекаемый на оси ординат вспомогательной окружностью XYZ произвольного радиуса (его целесообразно принять равным 100 единицам длины). Для определения cos φ1 на линию О'Х проектируют отрезок O'Y, полученный путем пересечения линии ОА (вектора тока Í1)с окружностью XYZ. При этом отрезокО'S позволяет определить величину cos φ1.

В двигателях с фазным ротором кривые η и cos φ1 располагаются несколько ниже, чем у соответствующих двигателей с короткозамкнутым ротором. На это влияют следующие причины:

а) возникновение дополнительных потерь мощности в результате наличия щеток на контактных кольцах;

б) уменьшение полезной мощности из-за худшего использования объема ротора (обмотку ротора выполняют из изолированного провода, вследствие чего пазы ротора частично заполняются изоляцией);

в) увеличение намагничивающего тока из-за возрастания магнитного сопротивления зубцовопазового слоя ротора в результате уменьшения поперечного сечения зубцов.

Коэффициент полезного действия. Зависимость η от полезной мощности Р2 имеет такой же характер, как и для трансформатора. Эта зависимость имеет общий характер для большинства электрических машин.

При изменении нагрузки электрической машины отдельные виды потерь изменяются по-разному: электрические потери ΔРэл в обмотках статора и ротора, а также добавочные потери ΔРдоб изменяются пропорционально квадрату тока нагрузки; электрические потери в щеточном контакте ΔРщ. элизменяются пропорционально току в первой степени; механические ΔРт и магнитные ΔРм потери остаются практически постоянными - такими же, как при холостом ходе, если напряжение машины U1 и частота ее вращения п2 не изменяются. По этому признаку все виды потерь можно разделить на две группы: постоянные потери ΔРпост = ΔРм + ΔРт ипеременные потери ΔРпер = ΔРэл + ΔРщ. эл + Рдоб, которые можно приближенно считать пропорциональными квадрату тока нагрузки (обычно потери ΔРщ. эл малы по сравнению с ΔРэл). Мощность Р2,отдаваемая машиной (Рэл в генераторах и Рмех в двигателях), пропорциональна току нагрузки I в первой степени, поэтому зависимость КПД от тока нагрузки

η = Р2 /Р1 = Р2 /(Р2 + ΔРпост + ΔРпер) = АI/(АI + В + СI2),

где А, В, С — постоянные.

 

Из (4.57) следует, что при изменении нагрузки электриче­ской машины ее КПД изменяется, как показано на рис. 4.25,6. При холостом ходе η = 0, так как полезная мощность Р2 отсутствует. При увеличении нагрузки КПД возрастает за счет увеличения Р2, но одновременно быстрее, чем Р2, возрастают переменные потери ΔРпер, поэтому при некотором токе Iкр увеличение КПД прекращается и в дальнейшем начинает уменьшаться. Если взять производную dη/dt и приравнять ее нулю, то можно получить условие максимума КПД — это наблюдается при такой нагрузке, при которой ΔРпер = ΔРпост.

При проектировании электрической машины обычно так распределяют потери мощности, что указанное условие вы­полняется при наиболее вероятной нагрузке машины, несколько меньшей номинальной. Во вращающихся электрических машинах средней и большой мощности это условие выполняется при нагрузках примерно 60% от номинальной.

При увеличении номинальной мощности относительная величина суммарных потерь уменьшается. Следовательно, должен возрастать и КПД машины. Эта закономерность проявляется во всех типах вращающихся электрических машин и в трансформаторах — машины большей номинальной мощности всегда имеют соответственно и больший КПД, и, наоборот, КПД машин малой мощности и микромашин обычно невелик. Так, например, КПД вращающихся электрических машин мощностью свыше 100 кВт составляет 0,92 — 0,96, мощностью 1 — 100 кВт — 0,7—0,9, а микромашин — 0,4—0,6.

КПД асинхронного двигателя можно определить из круговой диаграммы как отношение отрезков AF: АС (на упрощенной диаграмме, см. рис. 4.18,а) или AM: АС (на уточненной диаграмме, см. рис. 4.18,6). Однако для получения более точных результатов КПД рекомендуется определять путем расчета отдельных видов потерь.

 

Тормозные режимы АМ

Генераторное торможение

Генераторное торможение АД имеет место при вращении ротора АД с угловыми скоростями больших синхронной скорости . Это может происходить вследствие вращения ротора АД внешним моментом. При этом механическая энергия внешнего момента возвращается (рекуперирует) в сеть.

Механические характеристики АД в режиме генераторного торможения в координатах приведены на рис. 4.4, а в координатах - на рис. 4.5.

Торможение противовключением

Торможение противовключением имеет место когда поле статора и ротор вращаются в противоположных друг другу направлениях. Данная ситуация может быть реализована двумя способами:

 во время вращения ротора АД путем изменения порядка чередования фаз (что достигается коммутацией двух фаз статора АД, как это показано на рис. 4.7: замкнут либо контактор КМ 1, либо – КМ 2) изменяется направление вращения поля статора;

 ротор АД под действием момента нагрузки вращается в сторону, противоположную той, в которую он вращался бы без нагрузки (тормозной спуск).

Механические характеристики АД в режиме торможения противовключением путем изменения порядка чередования фаз и в режиме тормозного спуска в координатах приведены на рис. 4.4, а в координатах - на рис. 4.5 (участки 3 и 3’). При этом на рис. 4.4 переключение из двигательного режима работы АД в режим торможения противовключением путем изменения порядка чередования фаз соответствует переходу из точки а в точку б.

 

Рис. 4.7. Схема включения АД в режим торможения противовключением путем изменения порядка чередования фаз.

Динамическое торможение

Данный вид торможения осуществляется путем отключения обмотки статора АД от переменного тока и подключения двух фаз данной обмотки к источнику постоянного тока. Один из вариантов схему включения АД для динамического торможения с независимым возбуждением показан на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Схема включения АД для динамического торможения с независимым возбуждением

При выключенном контакторе КМ 1 и включенном контакторе КМ 2 в обмотке статора протекает постоянный ток , который создает неподвижное магнитное поле. Вследствие вращения ротора это поле будет индуктировать в обмотке ротора э. д. с., частота которой пропорциональна угловой скорости вращения ротора . Эта э. д. с., в свою очередь, вызовет появление тока в короткозамкнутой обмотке ротора. Взаимодействие тока ротора с неподвижным магнитным полем статора приводит к возникновению тормозного момента. При этом механическая энергия, поступающая на вал двигателя, преобразуется в электрическую, а последняя рассеивается в виде тепла в сопротивлениях цепи ротора. Механические характеристики АД в режиме динамического торможения с независимым возбуждением при различных значениях тормозных токов в обмотках статора приведены на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Механическая характеристика АД в режиме динамического торможения с независимым возбуждением

В режиме динамического торможения с независимым возбуждением скорость вращения поля статора . Поэтому в первом приближении форма механической характеристики может быть получена путем смещения части, соответствующей генераторному режиму АД, вниз до уровня синхронной скорости .

 

Режимы работы АМ

Режимы работы асинхронных двигателей.

Стандартные асинхронные двигатели предназначены для работы в продолжительном режиме работы (условное обозначение S1), при котором нагрузка, приложенная к валу и условия хлаждения двигателя практически постоянны в промежутке времени, достаточном для нагрева двигателя до установившейся температуры. Правильный расчет усредненных величин КПД и коэффициента мощности особенно важен при выборе геометрических размеров, расчета потерь, нагрева и охлаждения, и выборе установленной мощности стандартных двигателей1, применяемых для работы в кратковременных и повторно-кратковременных режимах.

Для асинхронных двигателей совокупность кратковременных, повторно-кратковременных и перемежающихся режимов работы подразделяется на 7 групп с условными обозначениями S2…S8. Кратковременный режим (S2), режим при, котором двигатель не успевает достигнуть номинальной температуры нагрева частей за время работы при постоянной нагрузке, и успевает охладиться до температуры окружающей среды за время пауз. Повторно-кратковременный режим (S3), характерен для условий работы, при котором продолжительность цикла (10 мин) намного больше времени пуска (т.е. переходной процесс при пуске не влияет на нагрев двигателя и не учитываются). Продолжительность рабочего времени в течении цикла, задается в процентах от времени цикла 5%, 25%, 40% и 60%. В режимах (S4), в отличие от (S3), продолжительность цикла настолько мала, что процессы, происходящие во время пуска (увеличение потерь из за многократного превышения величин пусковых токов над номинальным), оказывают непосредственное влияние на нагрев машины. Длительность цикла, в этом случае, определяется

продолжительностью рабочего времени в процентах от времени цикла и числом включений в час. Поскольку характер переходного процесса во многом определяется динамической нагрузкой на валу, дополнительно задается допускаемый коэффициент инерции (отношение суммы

моментов инерции ротора и приведенного к скорости вращения ротора,

1 Режим работы, для которого предназначен двигатель, указывается на табличке паспортной, прикрепленной на станине. Применение чугунных вентиляторов, независимых от скорости ращения ротора вентиляционных устройств, способствует расширению назначения двигателя, с точки зрения режимов работы.

Режимы, при которых в конце каждого цикла предусмотрено электрическое торможение вигателя обозначаются (S5). Продолжительности включения в этом случае, рассчитывается с учетом времени электрического торможения. Перемежающийся режим (S6) повторяет условия работы режима (S3) с учетом того что, в этом режиме допускается реверс с электрическим торможением или переход на другую скорость вращения. Учет пусковых потерь на нагрев двигателя не роизводится. Перемежающийся режим (S7) повторяет условия работы режима (S4) с учетом того что, в этом режиме допускается реверс с электрическим торможением или переход на другую скорость вращения. Перемежающийся режим (S8) повторяет условия работы режима (S7) с учетом того что, в этом режиме допускается работа двигателя на нескольких разных скоростях вращения с разными величинами нагрузки на валу.

Особенности определения установленной мощности в кратковременном (S2) и повторно-кратковременном режиме эксплуатации (S3, S6) В кратковременном (S2) и повторно-кратковременных режимах эксплуатации (S3, S6) электродвигатели могут работать с большей

установленной мощностью, чем в длительном режиме работы (S1). Возможное значение величины превышения мощности рекомендуется определять из условия сохранения перегрузочной способности асинхронного двигателя по максимальному моменту в пределах:

При больших числах включения и больших маховых массах определение мощности рекомендуется производить исходя из:

1. относительной продолжительности включения;

2. частоты включения;

3. величины внешнего момента инерции;

4. нагрузочной диаграммы привода;

5. типа торможения.

 

Устройство, принцип действия трансформаторов

С целью экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и распределения ее между разнообразными потребителями появляется необходимость в ее трансформации. Последнее осуществляется с помощью повышающих и понижающих трансформаторов.

Трансформатор — статический электромагнитный аппарат, его действие основано на явлении взаимной индукции, он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U1, I1 в энергию переменного тока с параметрами U2, I2 той же частоты

Трансформатор (рис. 8.1) состоит из ферромагнитного магнитопровода 1, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две (w1, w2) обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключаются приемники, - вторичной. Все величины, относящиеся к первичной и вторичной обмоткам, принято соответственно обозначать индексами 1 и 2.

Если первичную обмотку трансформатора с числом витков w1 включить в сеть переменного тока, то напряжение сети U1 вызовет в ней ток I1 и МДС I1w1 создаст переменный магнитный поток Ф. Переменный магнитный поток Ф создаст в обмотке w1 ЭДС Е1, а в обмотке w2 ЭДС Е2. Когда есть нагрузка, электрическая цепь вторичной обмотки оказывается замкнутой и ЭДС Е2вызовет в ней ток I2. Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U1, I1и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрамиU2, I2 и f.

Мгновенные значения ЭДС первичной и вторичной обмоток, как следует из явления электромагнитной индукции, имеют выражения

e1 = - w1 dФ/dt, e2 = - w2 dФ/dt,

их действующие значения (при синусоидальном изменении) соответственно равны

(8.1)

E1 = 4,44w1fФm;

(8.2)

Е2 = 4,44w2fФm.

Разделив значения ЭДС первичной цепи на соответствующее значение ЭДС вторичной цепи, получим

(8.3)

e1	=	E1	=	w1	= n.
e2	E2	w2

Величина n называется коэффициентом трансформации трансформатора. Электрическая энергия из первичной цепи во вторичную в трансформаторе передается посредством переменного магнитного потока, поскольку гальваническая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует. Отношение значений ЭДС Е1 и Е2 равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток.

 

Устройство трансформаторов

Магнитная система. В зависимости от конфигурации магнитной системы, трансформаторы подразделяют на стержневые (рис. 1.3, а), броневые (рис.1.3, б) и тороидальные (рис. 1.3, в).

Стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки (рис. 1.3; 2). Часть магнитопровода, на которой обмотки отсутствуют, называют ярмом (рис. 1.3; 1). Трансформаторы большой и средней мощности обычно выполняют стержневыми. Они имеют лучшие условия охлаждения и меньшую массу, чем броневые.